化工原理传热习题及答案.docx
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化工原理传热习题及答案
化工原理习题及答案
第五章传热
姓名____________班级____________学号_____________成绩______________
一、填空题：
1.（6分）某大型化工容器的外层包上隔热层,以减少热损失,若容器外表温度为500℃,而环境温度为20℃,采用某隔热材料,其厚度为240mm,λ=0.57w.m.K,此时单位面积的热损失为_______。
（注:
大型容器可视为平壁）
***答案***1140w
2.（6分）某大型化工容器的外层包上隔热层,以减少热损失,若容器外表温度为500℃,而环境温度为20℃,采用某隔热材料,其厚度为120mm,λ=0.25w.m.K,此时单位面积的热损失为_______。
（注:
大型容器可视为平壁）
***答案***1000w
3.（6分）某大型化工容器的外层包上隔热层,以减少热损失,若容器外表温度为150℃,而环境温度为20℃,要求每平方米热损失不大于500w,采用某隔热材料,其导热系数λ=0.35w.m.K,则其厚度不低于_______。
（注:
大型容器可视为平壁）
***答案***91mm
4.（6分）某间壁换热器中,流体被加热时,圆形直管内湍流的传热系数表达式为___________________.当管内水的流速为0.5m.s时,计算得到管壁对水的传热系数α=2.61（kw.m.K）.若水的其它物性不变,仅改变水在管内的流速,当流速为0.8m.s时,此时传热系数α=_____________.
***答案***α=0.023（λ/d）Re0.8Pr0.4
α=3.81（kw.m.K）
5.（6分）某间壁换热器中,流体被加热时,圆形管内湍流的传热系数表达式为_____________________.当管内水的流速为0.5m.s时,计算得到管壁对水的传热系数α=2.61（kw.m.K）.若水的其它物性不变,仅改变水在管内的流速,当流速为1.2m.s时,此时传热系数α=________________.
***答案***α=0.023（λ/d）Re0.8Pr0.4
α=5.26（kw.m.K）
6.（3分）牛顿冷却定律的表达式为_________，给热系数（或对流传热系数）α的单位是_______。
***答案***Q=αA△tw/m2.K
7.（4分）某并流操作的间壁式换热器中,热流体的进出口温度为90℃和50℃,冷流体的进出口温度为30℃和40℃,此时传热平均温度差△t=_________.
***答案***27.9K
8.（4分）某并流操作的间壁式换热器中,热流体的进出口温度为90℃和50℃,冷流体的进出口温度为15℃和30℃,此时传热平均温度差△t=_________.
***答案***41.6K
9.（2分）热量传递的方式主要有三种:
_____、_______、__________.
***答案***热传导热对流热辐射
11.（4分）某逆流操作的间壁式换热器中,热流体的进.出口温度为80℃和50℃,冷流体的进出.口温度为20℃和45℃,此时传热平均温度差△t=_______.
***答案***32.5℃
12.（3分）对流传热中的努塞特准数式是＿＿＿＿＿＿,它反映了＿＿____________
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
***答案***N＝αｌ/λ,对流传热过程几何尺寸对α的影响。
13.（4分）稳定热传导是指______________________________不随时间而改变。
***答案***传热系统中各点的温度仅随位置变
14.（2分）两流体的间壁换热过程中，计算式Q＝α.A.△ｔ，A表示为__________。
***答案***α一侧的换热壁面
15.（2分）在两流体通过圆筒间壁换热过程中，计算式Q=K.A.△t中,A表示为____________________。
***答案***A泛指传热面,与K相对应
16.（3分）两流体进行传热,冷流体从10℃升到30℃,热流体从80℃降到60℃，当它们逆流流动时,平均传热温差△tm=____________,当并流时,△tm=_________。
***答案***50℃47.2℃
17.（4分）冷、热气体在间壁换热器中换热，热气体进口温度T＝400℃，出口温度T为200℃，冷气体进口温度ｔ＝50℃，两股气体的质量流量相同,物性数据可视为相同,若不计热损失时，冷气体出口温度为＿_＿℃；若热损失为5％时，冷气体出口温度为＿＿＿℃
***答案***250℃，240℃
18.（3分）一列管换热器，列管规格为φ38×3,管长4m,管数127根，则外表面积F=_________________，而以内表面积计的传热面积F______________。
***答案***F1=127×4π×0.038=60.6m
F2=127×4π×0.032=51.1m
二、选择题：
1.（2分）间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻（）
A.成正比B.成反比C.没关系
***答案***A
2.（2分）翅片管换热器的翅片应安装在（）。
A.α小的一侧B.α大的一侧C.管内D.管外
***答案***A
4.（2分）工业采用翅片状的暖气管代替圆钢管，其目的是（）。
A.增加热阻，减少热量损失;B.节约钢材、增强美观;
C.增加传热面积，提高传热效果。
***答案***C
5.（2分）有一列管换热器，用饱和水蒸汽（温度为120℃）将管内一定流量的氢氧化钠溶液由20℃加热到80℃，该换热器的平均传热温度差Δｔ为（）。
A.-60/ln2.5;B.60/ln2.5;C.120/ln5
***答案***B
6.（2分）将1500kg.h，80℃的硝基苯通过换热器冷却到40℃，冷却水初温为30℃，出口温度不超过35℃，硝基苯比热为1.38kJ.kg.K，则换热器的热负荷为（）。
A.19800kJ.h;B.82800kJ.h;C.82800kw;
***答案***B
7.（2分）对流传热是由（）因素产生的。
A.流体分子的热振动;B.流体体内电子的移动;
C.流体质点的位移、扰动。
***答案***C
8.（2分）法定计量单位中，属于国际热量计算单位的是（）。
A.kw;B.kcal;C.J
***答案***C
9.（2分）热量传递的基本方式是（）。
A.恒温传热和稳态变温传热;B.导热给热和热交换;
C.气化、冷凝与冷却;D.传导传热、对流传热与辐射传热
***答案***D
10.（2分）在比较多的情况下，尤其是液－液热交换过程中，热阻通常较小可以忽略不计的是（）。
A.热流体的热阻;B.冷流体的热阻;
C.冷热两种流体的热阻;D.金属壁的热阻。
***答案***D
11.（2分）公式q＝KAΔt中，Δt的物理意义是（）。
A.器壁内外壁面的温度差;B.器壁两侧流体对数平均温度差;
C.流体进出口的温度差;D.器壁与流体的温度差。
***答案***B
12.（2分）湍流体与器壁间的对流传热（即给热过程）其热阻主要存在于（）。
A.流体内;B.器壁内;C.湍流体滞流内层中;
D.流体湍流区域内。
***答案***C
14.（2分）用饱和水蒸汽加热空气时，传热管的壁温接近（）
A.蒸汽的温度；B.空气的出口温度；C.空气进、出口平均温度
***答案***A
15.（2分）在间壁式换热器内用饱和水蒸汽加热空气，此过程的总传热系数K值接近于（）
A.α蒸汽B.α空气C.α蒸汽与α空气的平均值
***答案***B
16.（2分）对流传热仅发生在（）中。
A.固体B.静止的流体C.流动的流体
***答案***C
17.（2分）稳定的多层平壁的导热中，某层的热阻愈大，则该层的温度差（）。
A.愈大B.愈小C.不变
***答案***A
18.（2分）流体与固体壁面间的对流传热，当热量通过滞流内层时，主要是以（）方式进行的。
A.热传导B.对流传热C.热辐射
***答案***A
20.（2分）强化传热的主要途径是（）。
A.增大传热面积B.提高K值C.提高△tm
***答案***B
三、判断题：
1.（2分）凡稳定的圆筒壁传热，热通量为常数。
（）
***答案***×
2.（2分）传导和对流传热的传热速率与温度的一次方之差成正比，而辐射的传热速率与温度的四次方之差成正比。
（）
***答案***√
3.（2分）凡稳态的园筒壁传热过程，单位时间单位面积所传递的热量相等。
（）
***答案***×
4.（2分）热量传递过程的规律与流体流动过程相似，流速越大，则其过程的阻力越大。
（）
***答案***×
5.（2分）当保温材料的厚度加大时，内外壁面的总温度差增大，总的热阻也增大，总推动力与总阻力之比为定值，即导热速率不变。
（）
***答案***×
6.（2分）多层平壁导热过程中，传热总推动力为各壁面温度差之和。
（）
***答案***√
7.（2分）无相变的折，错流换热器，其平均温度差△t都比逆流时为小。
（）
***答案***√
8.（2分）换热器的导热管，应选用导热系数值大的材料。
（）
***答案***√
9.（2分）导热系数是物质的一种物理性质（），
***答案***√
10.（2分）在列管换热器管间装设了两块横向折流档板，则该换热器变成为双壳程的换热器（）
***答案***×
11.（2分）在稳定的多层平壁导热中，若某层的热阻较大，则这层的导热温度差就较小（）.
***答案***×
12.（2分）在对流传热中，传热管壁的温度接近α值小的哪一侧流体的温度（）.
***答案***×
13.（2分）对于问壁两侧流体稳定变温传热来说，载热体的消耗量逆流时大于并流时的用量。
（）
***答案***×
14.（2分）列管式热交换器内用饱和水蒸汽加热管程的空气，为提高换热器的K值，在管外装设折流挡板。
（）
***答案***×
15.（2分）蛇管换热器是属于间壁式换热器的一种（）
***答案***√
16.（2分）列管换热器采用多管程的目的是提高管内流体的对流传热系数α（）
***答案***√
17.（2分）维持膜状沸腾操作，可获得较大的沸腾传热系数。
（）
***答案***×
18.（2分）为了提高间壁式换热器的传热系数K值，必须设法提高α值大的那一侧流体的对流传热系数。
（）
***答案***×
19.（2分）强化传热的途径主要是增大传热面积（）
***答案***×
20.（2分）付立叶定律适用于流体与壁面间的传热计算。
（）
***答案***×
四、简答题：
1.（8分）在化工生产中,传热有哪些要求?
***答案***
传热一般有两方面的要求：
1、尽量使传热情况良好,即要求高的传热效率,以减少设备尺寸；
2、尽量避免传热,即保温或保冷。
2.（10分）传导传热,对流传热和辐射传热,三者之间有何不同?
***答案***
传导热是固体或静止流体的分子运动或分子振动传递热量。
对流传热则是流体质点发生相对位移来传递热量,辐射传热是高温物体以电磁波形式向空间发射能量来传递热量。
3.（10分）试述对流传热的机理?
***答案***
热流体流过管道时,在湍流主体中,流体剧烈拢动,形成漩涡,使质点强烈混合而交换热量，温度较均匀，几乎不存在温度梯度；但在紧靠管壁，有一层很薄的作层流流动的流体层（层流底层），在这层薄层内，热量传递以导热方式进行，从微观上言，是靠分子传递。
由于流体的导热系数很小，故热阻丝要集中层流底层内。
对管内层流流动，热量传递也是主要靠导热。
但由于温度存在（轴向的，径向的），有密度差，会引起质点的对流，比较复杂。
4.（8分）强化传热过程应采取哪些途径?
***答案***
根据ｑ＝K.A.△t方程,指任一个K、A、△t都能提高强化传热
（1）增加传热面积,如在管内外壁装上翅片,采用螺旋管或粗糙管代替光滑管；
（2）增大传热温差△t可采用逆流操作,因为当T，T，t，t四个温度一定时，逆流传热温差△t最大；
（3）提高传热系数K由
K＝1/（1/α＋1/α＋Σ（δ/λ））
提高α、α降低δ,都能强化传热,要提高α由单层改为多层,或在壳程中增设档板，对于蛇管中,加入搅拌装置或在蛇管圈中增设杯状物（强化圈）在列管换热器中可,还可采用导热系数大的流体作载热体。
5.（4分）传热有哪几种方法?
各有何特点?
试就锅炉墙的传热分析其属哪些传热方式?
***答案***
传导、对流、辐射
导热－－分子原位振动，电子定向流动。
对流－－流体质点流动与混合。
锅炉壁为导热，外壁对烟气为对流，火焰和炉墙的热辐射。
6.（4分）为什么工业换热器的冷、热流体的流向大多采用逆流操作?
***答案***
操作可以获得较大的平均传热温度差，从传递相同热负荷言，须较小的传热面积，节省设备费用。
此外，逆流热流体出口温度T可接近冷流流体进口温度t，对相同热负荷言，需加热剂少；同样，就冷流体而言，逆流体出口温度t可接近热流体进口温度T，对相同热负荷言，需要冷却剂少，故对逆流就加热剂或冷却剂用量考虑，逆流操作费小。
7.（4分）什么是稳定传热和不稳定传热?
***答案***
在传热过程中，传热面上各点的温度不随时间变化，称为稳定传热。
稳定传热时，传热速率为定值。
反之，若传热面上各的温度随时间而变，则为不稳定传热。
不稳定传热时，传热速率也随时间而变。
8.（5分）导热系数受哪些因素影响?
现有建筑砖（ρ＝1800kg.m）和煤灰砖（ρ＝700kg.m）两种材料，哪种保温性能好?
***答案***
组成：
纯物质的导热系数好;
结构：
结构致紧、密度大的材料导热系数大;
温度：
一般温度升高，非金属固体导热系数增大。
煤灰砖的保温性能好。
11.（4分）说明流体流动类型对给热系数的影响。
***答案***
流体为层流时，传热是以导热方式进行的。
则此时给热系数较小。
当为湍流时，传热是以对流方式进行的，此时给热系数增大。
所以流体的传热，多在湍流情况下进行。
12.（6分）给热系数受哪些因素影响?
***答案***
流动类型：
湍流时的给热系数大。
流体的物性：
粘度μ、密度ρ、比热Cp，导热系数λ均对给热系数有影响。
传热面的形状、大小和位置：
管子的排列、折流都是为了提高给热系数。
流体的对流情况，强制对流比自然对流的给热系数大，流体在传热过程有无相变，有相变α大。
分析α＝0.023λ/d.Re.Pr也可以回答上列问题。
13.（3分）提高传热系数时,为什么要着重提高给热系数小的这一侧?
***答案***
当忽略金属壁面的导热热阻时，
1/K=1/α+1/α=（α+α）/（α×α）
若α>>α,则α+α≈α∴K≈α
即K接近α小的数值。
14.（4分）说明列管式换热器的基本结构。
***答案***
由壳体、管束、管板、封头等组成。
16.（6分）有以下传热公式A.Q=λ.A.（t-t）/δ
B.Q=α.A.（T-T）
回答下列问题：
（1）在什么传热情况下，可利用以上公式进行计算？
（2）写出以上公式中，热阻的表达式
***答案***
（1）A、B两公式均应用在稳定传热下传热速率的计算。
公式A为物质内部传导的传热速率计算。
公式B为物质表面与流体间对流传热的传热速率计算。
（2）A式：
R=δ/λ或R=δ/A×λ
B式：
R=1/α或R=1/α×A
17.（8分）换热器的散热损失是如何产生的？
应如何来减少此热损失？
***答案***
由于换热器外壁面温度往往高于周围外界空气的温度，外壁面不断通过对流和辐射传将热量传给换热器周围的空气而散失，即产生散热损失。
为了减少散热损失，一般在换热器外壁面上包上一层（或两层）导热系数较小的绝热材料（或不同的两种导热系数较小的绝热材料），使传热热阻增大，外壁面温度降低，从而减小了散热损失。
18.（6分）列管换热器由哪几个基本部分组成？
各起什么作用？
***答案***
主要由壳体、管束、管板和顶盖（又称封头）等基部分组成。
壳体和管束作为冷热两流体的流动空间，通过管壁进行换热。
管束安装在管板上，通过管板使管束与壳体连成一体。
顶盖（封头）上有管程流体进出口，且有分程、密封，封头可拆卸，便于管子清洗等作用。
19.（8分）当间壁两侧流体稳定变温传热时，工程上为何常采用逆流操作？
并简要定性分析主要原因。
***答案***
因为逆流操作有较高的经济效益。
主要原因可由以下两方面分析：
（1）当T、T、t、t四个温度一定时，逆流操作的△t比其它流向大。
根据：
Q=KA△t,当K、A一定时，△t↑则Q↑，对现有的换热器来说，可提高生产能力。
当Q、K一定时，△t↑则A↓，对生产能力要求一定时，新设计制造换热器由于A较小，设备尺寸可减小，节省投资费。
（2）一般逆流操作的正常操作费比其它流向要少。
逆流操作时，载热体用量比其它流向的要小，降低能耗，提高了经济效益。
20.（8分）有一高温炉，炉内温度高达1000℃以上，炉内有燃烧气体和被加热物体，试定性分析从炉内向外界大气传热的传热过程。
本题目有题图：
titu185.bmp
***答案***
炉内以对流和辐射并联联合传热，将热量传给炉的内壁面。
在炉壁内通过传导传热，将热量以炉的内壁面传到炉的外壁面，它与炉内对流与辐射传热相串联。
炉外通过对流与辐射并联联合传热，将热量从炉的外壁面传到大气中，它与炉壁内的传导传热相串联，所以该传热过程的特点是：
（1）传导、对流、辐射三种传热方式同时存在；
（2）并联、串联的联合传热同时存在。
五、计算题：
1.（8分）外径为100mm的蒸汽管外包一层厚80mm、导热系数为λw.m.K的绝缘材料,管外壁温度为t,每米管长的热损失为Qw.m,试求绝热层外壁温度t（设管外壁与绝热层接触良好）
***答案***
Q=2πλ（t1-t2）/ln（r2/r1）∴t2=t1-Qln（r2/r1）/（2πλ）
=t1-Q/λ[ln（0.13/0.05）/（2×3.14）
=t1-0.152Q/λ
2.（14分）某平壁炉的炉壁由耐火砖,绝热砖和普通砖组成,它们的导热系数分别为1.163,0.233和0.582[w.m.K],为使炉内壁温度保持1000℃,每平方米炉壁的热损失控制在930w以下,若普通砖厚度取为10cm,炉外壁温度为83℃,求:
耐火砖和绝热砖厚度各为多少?
绝热砖和普通砖交界面温度t为多少?
（假设绝热砖与耐火砖交界面温度为800℃）
***答案***
设耐火砖厚度b1,绝热砖厚度b2跨过耐火砖的热通量为:
q=（t1-t2）/（b1/λ1）
∴b1=λ1（t1-t2）/q=1.163（1000-800）/930=0.25m
跨过三层砖的热通量为:
q=（t1-t4）/[（b1/λ1）+（b2/λ2）+（b3/λ3）]
b2=[（t1-t4）/q-b1/λ1-b3/λ3]λ2
=[（1000-83）/930-0.25/1.163-0.1/0.582]×0.233=0.14m,
跨过普通砖的热通量:
=t3-t4/b3/λ3,
t3=q.b3/λ3+t4=930×0.1/0.582+83=243℃
3.（15分）在内管为φ180×10mm的套管换热器中，将流量为3500kg.h的某液态烃从100℃冷却到60℃，其平均比热为2.38kJ.kg.K,环隙走冷却水,其进出口温度分别为40℃和50℃,平均比热为4.174kJ.kgK,基于传热外面积的总传热系数K=2000w.mK,且保持不变.设热损失可以忽略。
试求:
（1）冷却水用量；
（2）计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及管长。
***答案***
冷却水用量：
Wｃ（T－T）＝Wｃ（t－t）
3500×2.38×（100－60）＝W×4.174×（50－40）
∴W＝7982kg.h
Δt逆＝（50－20）/ｌｎ（50/20）＝32.75
Δt并＝（60－10）/ｌｎ（60/10）＝27.9
Q＝KAΔtQ＝333200kJ.h
A逆＝333200×10/（2000×32.75×3600）＝1.41m
πｄｌ＝1.413.14×0.18×ｌ＝1.41
∴ｌ＝2.5m
A并＝333200×10/（2000×27.9×3600）＝1.66m
3.14×0.18×ｌ＝1.66
∴ｌ＝2.93m
4.（15分）已知一外径为75mm,内径为55mm的金属管,输送某一热的物流,此时金属管内表面温度为120℃,外表面温度为115℃,每米管长的散热速率为4545w.m,求该管材的导热系数。
为减少该管的热损失,外加一层石棉层（导热系数为0.15w.m.K）此时石棉层外表面温度为10℃,而每米管长的散热速率减少为原来的3.87%,求石棉层厚度及钢管和石棉层接触面处的温度。
***答案***
⑴Q/L=2π（120-115）/[1/λ（ln（75/55））]=4545
（1/λ）ln（75/55）=2×3.14（125-115）/4545=0.00691
∴λ=44.9w.m.K
⑵设外加石棉层厚度为δ
则:
Q'/L
=2×3.14（120-10）/{（1/44.9）[ln（75/55）]+（1/0.15）ln（75+2δ）/75}
=4545×0.0387=175.9w.m
690.8=175.9{0.00691+（1/0.15）ln[（75+2δ）/75]}
解得:
δ=30mm（石棉层厚度）
⑶设钢管和石棉层接触面间的温度为t2'
则:
2×3.14（120-t2'）/[（1/44.9）ln（75/55）]=175.9
解得:
t2'=119.8℃
5.（12分）φ120×5mm的蒸汽管外拟包一层保温材料,其导热系数为0.07w.m.K。
设蒸汽管的内壁温度为110℃,管壁导热系数为45w.m.K。
要求保温层外壁温度不超过20℃,每米蒸汽管的热损失控制在60w以下,试计算保温层的最小厚度。
***答案***
按多层圆筒导热
ｑ＝（t－t）/（ｌｎ（ｒ/ｒ）/（2π
λ）＋ｌｎ（ｒ/ｒ）/（2πλ））
将ｒ＝0.06m,ｒ＝0.055m，ｒ＝0.06＋δ
λ＝0.07w/（m·K）,λ＝45w/（m·K），ｑ＝60w/m
t＝110℃,t＝20℃代入上式
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